2.1 Объекты биотехнологии

Объектами биотехнологии являются отдельные части клеток (ми- тохондрии, рибосомы, хромосомы, мембраны и т.д.), сами клетки и их коллективы - клеточные культуры, отдельные микроорганизмы (грибы,

43

водоросли, бактерии, простейшие, вирусы и т.д.), и их колонии, а так- же - самостоятельные многоклеточные растительные и животные ми- кроорганизмы.

Микроорганизмы - это удивительно совершенные творения при-

роды. Микробная клетка в состоянии жить и размножаться, используя

в качестве источника питания часто только один-единственный орга- нический субстрат и минеральные соли. Бактерии способны жить в аэробных и анаэробных условиях при температурах, близких к 0 и

+80 ^ОС. Отдельные виды микроорганизмов находят в струях гейзеров

при температурах 105 ^ОС, в сверхсоленых озерах, например в зна-

менитом Мертвом море, в вечной мерзлоте Арктики, в океане на глу- бине 11 км, в атмосфере на высоте 41 км. Некоторые бактерии пре- красно себя чувствуют в воде, охлаждающей ядерные реакторы, оста- ются жизнеспособными, получив дозу радиации в 10 тысяч раз превы- шающую смертельную дозу для человека. Они выдерживают двухне- дельное пребывание в глубоком вакууме, не погибают в открытом космосе в течение 18 ч под смертоносным воздействием солнечной ра- диации. Совершенный, точно регулируемый метаболизм микробной клетки позволяет ей расти с огромной скоростью. Так деление бакте- рий Escherichia coli (кишечная палочка), при росте на полноценной среде, происходит каждые 30 мин. Если сравнить клетку с машиной, то это очень совершенная машина, имеющая коэффициент полезного дей- ствия до 70 % (превращение углерода субстрата в углерод клеточной биомассы).

Быстрый рост численности населения нашей планеты и исчерпа- ние природных ресурсов - источников питания, кормов и сырья для пе- рерабатывающей промышленности - не позволяют развивать народное хозяйство традиционными методами. Это определяет актуальность развития биотехнологических процессов сегодня и позволяет считать их наиболее перспективными.

2.2 Прошлое и настоящее биотехнологии

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет. По сви- детельству легенд и народных сказаний древности, люди с незапамят- ных времен готовили из сока винограда вино, делали сыр из скисшего молока, поражали врагов и диких зверей стрелами, наконечники кото- рых были пропитаны смертельным ядом. Археологические раскопки в Двуречье помогли найти сохранившиеся остатки пекарен и пивоварен, которые были построены соответственно за 6000 и 2000 лет до н.э.

44

Человек наблюдал многие удивительные явления, происходящие

в живых организмах, таких как: свертывание крови, дозревание и раз- ложение мясных, рыбных и растительных продуктов. Почему все это происходило, он долгое время не мог объяснить. Наши предки не име- ли представления о процессах, лежащих в основе знакомых им техно- логий домашнего производства продуктов питания и их хранения. Они действовали интуитивно, пользуясь микроорганизмами, не догады- ваясь об их существовании. Но в течение тысячелетий успешно приме- няли метод микробиологической ферментации для приготовления и сохранения пищи.

И лишь в начале 19 века, были обнаружены вещества, вызываю- щие подобные превращения. Они получили названия ферментов. Люди научились делать мыло из жиров, изготавливать простейшие лекарства

и перерабатывать отходы.

Становлению и развитию биотехнологии как науки предшество- вали открытия в области микробиологии таких ученых как: Хук, Ле- венгук, Женнер, Пастер, Кох и др.

Первым из людей, заглянувших в таинственный мир микроорга-

низмов, стал голландский естествоиспытатель Антони ван Левенгук

(1632 г. - 1723 г.). Он изготовил линзы, которые увеличивали в 100-300 раз. Самостоятельно шлифуя оптические стекла, он добился пре- восходного качества. Рассматривая с их помощью растворы и настои,

он увидел причудливых "зверушек", постоянно снующих в разные сто-

роны. Левенгук назвал их "анималькулюс", что по латыни означает

"зверушка". Он первым описал и зарисовал микроорганизмы. В письме

№ 17 в Лондонское королевское общество он так описывает это откры- тие: «После всех попыток узнать, какие силы в корне действуют на язык и вызывают его раздражение, я положил приблизительно пол-

унции корня в воду: в размягченном состоянии его лучше изучать. Ку-

сочек корня оставался в воде около трех недель. 24 апреля 1676 г. я по-

смотрел на эту воду под микроскопом и с большим удивлением увидел

в ней огромное количество мельчайших живых существ».

В конце 19 века благодаря трудам французского ученого Луи Па- стера были созданы реальные предпосылки для дальнейшего развития прикладной микробиологии, а также в значительной мере и биотехно- логии. Пастер всегда стремился к тому, чтобы его работы непосред- ственно служили людям. Он знал, какую огромную роль играет вино- делие в развитии экономики Франции. Порча вина приносила стране и виноделам большие убытки. Требовалось найти научное объяснение причинам вызывающим это явление. Будучи ценителем и любителем

45

вина, Пастер стал изучать процесс брожения, который считался многи- ми учеными чисто химическим явлением. Ученый сделал вывод о том, что брожение происходит только в присутствии живых организмов - дрожжей и является биологическим явлением. Порчу вина он объяснил тем, что при попадании бактерий в вино происходит вытеснение дрожжей и вино превращается в уксус. Для предотвращения порчи Па- стер предложил сразу по окончании брожения подогревать вино до

60 ^ОС - 70 ^ОС, не доводя до кипения. Вкус вина при этом сохраняется, а бактерии погибают. Этот процесс теперь называют пастеризацией. Так

обрабатывают молоко, пиво, вино.

Таким образом, Луи Пастер установил, что микробы играют клю- чевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании от- дельных продуктов участвуют различные их виды. Его исследования послужили основой развития в конце 19 и начале 20 веков бродильного производства органических растворителей (ацетона, этанола, бутанола

и изопропанола) и других химических веществ, где использовались разнообразные виды микроорганизмов. И сегодня многие химические соединения получают путем брожения, самым выгодным с экономиче- ской точки зрения способом.

Пастер открыл возможность жизни без кислорода. Так живут, в частности, масляно-кислые бактерии, делающие горьким вино, молоко, пиво.

К дальнейшему изучению микроорганизмов Пастера подтолкнула

смерть дочери Жанны от тифа. Он предположил, что бактерии вызыва- ют не только "болезни вина", но и людей. Пастер доказал, что, приви- вая ослабленных микроорганизмов - возбудителей, можно создавать у организма невосприимчивость к болезни - иммунитет. Прививочный материал Пастер назвал вакциной. Открыл вакцину против бешенства.

В настоящее время процессы биохимической технологии широко используются при производстве ценных биологически активных ве- ществ (антибиотиков, ферментов, гормонов и др.), для предотвращения

загрязнения окружающей среды, защиты растений от болезней и вре-

дителей, в крупномасштабном производстве белков и аминокислот,

предназначенных в качестве добавок к кормам в животноводстве.

Новая биотехнология началась после открытия Дж. Уотсоном и

Ф. Криком строения ДНК. Главным объектом исследований до сих пор остается живая клетка, но центральное место в экспериментах за-

нимают манипуляции с ДНК. Пользуясь методами генетической инже-

нерии, создаются искусственные, заранее запрограммированные струк-

туры в виде рекомбинантных ДНК, осуществляют трансплантацию ге-

46

нов между разными видами микробных клеток, а также между клетка- ми одноклеточных и многоклеточных организмов. Многообразны био- технологические манипуляции с клеточными структурами и протопла- стами. Развитие генетической и клеточной инженерии позволило полу-

чать ранее недоступные вещества - в первую очередь лекарственные препараты (интерфероны, гормоны роста, инсулин человека и др.). Раз- работка методов генетической инженерии, основанных на создании ре- комбинантных ДНК, привела к "биологическому буму", свидетелями которого мы являемся. Эти методы не только открывают возможности улучшения уже освоенных процессов и продуктов, но и дают нам со- вершенно оригинальные способы получения новых веществ, позволя-

ют осуществлять новые процессы.

На третьем съезде Европейской ассоциации биотехнологов

(Мюнхен, 1984г) голландский ученый Е. Хаувинк разделил историю развития биотехнологии на пять периодов, учитывая основные открытия, способствующие ее развитию:

− допастеровская эра (до 1858г);

− послепастеровская эра (1858 г. – 1949 г.);

− эра антибиотиков (1941 г. – 1960 г.);

− эра управляемого биосинтеза (1961 г.- 1975 г.);

− новая эра (после 1975 г.).